AT511299A1 - Zweiquadrantenstellglied und transformatorloser koppelkonverter für stark unterschiedliche gleichspannungen - Google Patents

Zweiquadrantenstellglied und transformatorloser koppelkonverter für stark unterschiedliche gleichspannungen Download PDF

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AT511299A1
AT511299A1 ATA438/2011A AT4382011A AT511299A1 AT 511299 A1 AT511299 A1 AT 511299A1 AT 4382011 A AT4382011 A AT 4382011A AT 511299 A1 AT511299 A1 AT 511299A1
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Abstract

Der hier dargestellte Koppelkonverter eignet sich besonders dann, wenn ein relativ großer Unterschied (etwa Faktor 5 bis 12) zwischen den Spannungsniveaus zu überbrücken ist. Der erste (Si) und der vierte (S4) aktive Schalter oder der zweite (S2) und dritte (S3) aktive Schalter werden jeweils gemeinsam angesteuert. Es ist kein Transformator zur Anpassung erforderlich. Die Schaltung ist bidirektional, kann also in beide Richtungen Energie transformieren und eignet sich zur Kopplung von Gleichspannungsnetzen, aber auch als Topologie für ein Batterieladegerät oder als Koppelelement für einen Superkapazitätsspeicher. Der Konverter ist aus zwei bidirektionalen Halbbrücken (Si, S2, Di, D2) und (S3, S4, D3, D4), einem zusätzlichen Kondensator (C) und zwei weiteren Spulen (Li, L2) aufgebaut. Wird die erste Spule (Li) als zwei in Serie geschaltete miteinander verkoppelte Spulen oder durch eine Spule mit Anzapfung realisiert, so bekommt man eine zusätzliche (fixe) Anpassungsmöglichkeit für die Spannungsverhältnisse. Wird als Last ein induktiver Aktuator oder eine permanent erregte Gleichstrommaschine verwendet, kann die zweite Spule entfallen.

Description

Zweiquadrantenstellglied und transformatorloser Koppelkonverter für stark unterschiedliche Gleichspannungen
Die Erfindung betrifft einen Zweiquadrantensteller zur Ansteuerung einer permanent erregten Gleichstrommaschine oder eines induktiven Aktuators, aufgebaut aus einer ersten bidirektionalen Halbbrücke, bestehend aus einem ersten aktiven Schalter (Si), in Serie geschaltet mit einem zweiten aktiven Schalter (S2) mit je einer antiparallelen Diode (Di, D2), weiters aufgebaut aus einer zweiten bidirektionalen Halbbrücke, bestehend aus einem dritten aktiven Schalter (S3), in Serie geschaltet mit einem vierten aktiven Schalter (S4) mit je einer antiparallelen Diode (D3, D4), weiters bestehend aus einer Spule (Li), einem Kondensator (C), einer ersten positiven (Ei) und einer zweiten negativen (E2) Eingangsklemme zum Anschluss einer unipolaren Spannungsquelle (Ui) und einer ersten (Ai) und zweiten (A2) Ausgangsklemme zum Anschluss der Maschine bzw. der Last bzw. einen Zweiquadrantenstefier zur Kopplung zweier Gleichspannungen (Ui, U2), aufgebaut aus einer ersten bidirektionalen Halbbrücke, bestehend aus einem ersten aktiven Schalter (Si), in Serie geschaltet mit einem zweiten aktiven Schalter (S2) mit je einer antiparallelen Diode (Di, D2), weiters aufgebaut aus einer zweiten bidirektionalen Halbbrücke, bestehend aus einem dritten aktiven Schalter (S3), in Serie geschaltet mit einem vierten aktiven Schalter (S4) mit je einer antiparallelen Diode (D3, D4),weiters bestehend aus einer ersten Spule (L|), einer zweiten Spule (L2), einem Kondensator (C), einer ersten positiven (Ei) und einer zweiten negativen (E2) Eingangsklemme zum Anschluss einer unipolaren Spannungsquelle (Uj) und einer ersten (Ai) und zweiten (A2) Ausgangsklemme zum Anschluss der zweiten Spannungsquelle bzw. der Last.
Das hier dargestellte Zweiquadrantenstellglied eignet sich besonders dann, wenn ein relativ großer Unterschied (etwa Faktor 5 bis 12) zwischen den Spannungsniveaus zu überbrücken ist und die Ausgangsspannung nicht nur kleiner, sondern auch größer als die Eingangsspannung sein soll. Die Schaltung ist bidirektional, kann also in beide Richtungen Energie transformieren und eignet sich sehr gut als Motorstellglied für den Zweiquadrantenbetrieb für Fahren und Bremsen bei einer Drehrichtung.
Der hier dargestellte Koppelkonverter eignet sich besonders dann, wenn ein relativ großer Unterschied (etwa Faktor 5 bis 12) zwischen den Spannungsniveaus zu .überbrücken ist. Die Schaltung ist bidirektional, kann also in beide Richtungen Energie transformieren und eignet 1 P90/2Ö110328/fh sich auch als Topologie für ein Batterieladegerät oder als Koppelelement für einen Superkapazitätsspeicher.
Die Zeichnungen stellen das Zweiquadrantenstellglied (Fig. 1) und den gegenständlichen Koppelwandler (Fig. 2), beispielhaft mit MOSFETs gezeichnet, dar. Natürlich können statt den MOSFETs auch andere aktive Schalter verwendet werden. Fig. 3 stellt mögliche Lasten dar. links eine Maschine und rechts eine Batterie. Fig. 4 und Fig. 5 stellen zwei weitere Ausformungen des Zweiquadrantenstellglieds mit Ersatz der Spule durch eine Serienschaltung zweier gekoppelter Wicklungen oder durch eine angezapfte Spule dar.
Die Schaltung wird nun an Hand der Fig. 2 beschrieben. (Nimmt man die Schaltung nach Fig. 1, so ist die zweite Spule in der Last, also der induktive Anteil eines Aktuators oder die Ankerinduktivität einer Gleichstrommaschine.) Wenn die beiden Schalter Si und S4 leiten, so liegt an der ersten Spule die Spannung Ui und an der zweiten Spule Uc-U2. Der Strom in den Spulen nimmt zu. Wenn die beiden Schalter S2 und S3 leiten, so liegt an der ersten Spule die Spannung -Uc und an der zweiten Spule -U2. Der Strom in den Spulen nimmt ab. Im stationären Zustand müssen die positiven und negativen Strom-Zeit-Flächen an den Spulen gleich groß sein (die Spannung an der Spule ist im Mittel null). Daraus lässt sich nun der Zusammenhang zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung, wenn man als Tastverhältnis das Verhältnis der Einschaltzeit des ersten und vierten Schalters bezogen auf die Taktperiode des Konverters bezeichnet, bei idealen Bauelementen zu U2 d1 U, ~ i-d angeben. Es sei hier besonders angemerkt, dass die erste Spule auch durch zwei in Serie geschaltete miteinander verkoppelte Spulen oder durch eine Spule mit Anzapfung ersetzt werden kann. Dadurch bekommt man eine zusätzliche (fixe) Anpassungsmöglichkeit für die Spannungsverhältnisse. Die Kopplung muss aber sehr gut sein, damit nicht die Energie der Streuinduktivität durch aufwendige Snubber Netzwerke umgeformt werden muss.
Der Zusammenhang der Mittelwerte der Ströme durch die beiden Spulen lässt sich durch das Strom-Zeit-Gleichgewicht an der Kapazität (der Strom muss im stationären Fall null sein) zu berechnen. Der Energietransfer wird durch den Stromfluss durch die Spulen gesteuert oder besser noch geregelt. Als Regelverfahren eignet sich besonders die Stromregelung mit einem Zweipunktregler mit Hysterese oder das Sliding Mode Konzept. Weiters eignet sich auch die 2 P90/20110328/fh
Zustandsregelung. Ob ein klassischer PID-Regler geeignet ist, kann ohne sorgfältige Analyse nicht ausgesagt werden. Da die Methoden der Regelung jedoch bekannt sind, kann dies auch nicht Inhalt des Patents sein.
Angemerkt sei auch, dass wenn keine (diskrete) zweite Spule verwendet wird, diese durch die induktive Last oder die Maschineninduktivität gebildet wird. Diese ist meist viel größer als die Konverterinduktivität, daher bleibt der Strom in ihr innerhalb einer Taktperiode des Konverters nahezu konstant.
Bei der Verwendung von MOSFETs als aktive Schalter können die dem Schalter parallel liegenden Bodydioden nicht die erforderliche Qualität haben. In diesem Fall kann die Wirkung der Bodydiode vennieden werden, indem auf bekannte Weise, in Serie zum Schalter eine Diode, in diesem Fall eine Schottkydiode mit kleiner Sperrspannung, in Serie -üblicherweise zum Drain - geschaltet wird, Besser ist es natürlich gleich Halbbrückenmodule zu verwenden. Hier erspart man sich zusätzlich Probleme bei der Verdrahtung durch zu große Streuinduktivitäten.
Es gibt zahlreiche spezielle Vorgaben, wie z.B. Batterien schonend geladen werden können. Auch diese können in die Steuerung und Regelung der Vorrichtung eingebunden werden.
Das Problem, einen Zwei quadrantensteiler zur Ansteuerung einer permanent erregten Gleichstrommaschine mit großem Spannungsbereich zu realisieren wird erfmdungsgemäß dadurch bewerkstelligt, dass an die positive Eingangsklemme (El) die erste Klemme der Spule (LI) und der positive Anschluss des dritten aktiven Schalters (S3), dessen negativer Anschluss einerseits an den positiven Anschluss des vierten aktiven Schalters (S4), dessen negativer Anschluss an die zweite Ausgangsklemme (A2) und den negativen Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S3) geschaltet ist, und andererseits an einen Anschluss des Kondensators (C) geschaltet ist, dessen zweiter Anschluss mit dem zweiten Anschluss der Spule (LI) verbunden ist und an den positiven Anschluss des ersten aktiven Schalters (Sl) geschaltet ist, an den negativen Anschluss des ersten aktiven Schalters (Sl) ist einerseits die negative Eingangsklemme (E2) und andererseits die erste Ausgangsklemme (Al) geschaltet. Das Problem, einen Zweiquadranlen stell er zur Kopplung zweier Gleichspannungen (Ui, U2) mit großem Spannungsbereich zu realisieren wird erfindungsgemäß dadurch bewerkstelligt, dass an die positive Eingangsklemme (Ei) die erste Klemme der ersten Spule (LQ und der positive Anschluss des dritten aktiven Schalters (S3), dessen negativer Anschluss einerseits an den positiven Anschluss des vierten aktiven Schalters (S4), dessen negativer Anschluss an den ersten Anschluss der zweiten Spule (L2) geschaltet ist, deren zweiter Anschluss mit der 3 P90/20110328/fh zweiten Ausgangsklemme (A2) und den negativen Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S3) geschaltet ist, und andererseits an einen Anschluss des Kondensators (C) geschaltet ist, dessen zweiter Anschluss mit dem zweiten Anschluss der Spule (Lt) verbunden ist und an den positiven Anschluss des ersten aktiven Schalters (Si) geschaltet ist, an den negativen Anschluss des ersten aktiven Schalters (S1) ist einerseits die negative Eingangsklemme (E2) und andererseits die erste Ausgangsklemme (Ai) geschaltet. Weiters kann es sinnvoll sein, dass zwischen der ersten (Ei) und zweiten (E2) Eingangsklemme ein weiterer Kondensator geschaltet ist. Es ist weiters praktisch die zwei Halbbrücken durch integrierte Module zu bilden. Die Ansteuerung erfolgt sinnvoll so, dass jeweils der erste (Sj) und der vierte (S4) aktive Schalter bzw. der zweite (S2) und der dritte (S3) aktive Schalter mit Ausnahme einer kurzen Verriegelungszeit gleichzeitig leiten. Weiters sei angeführt, dass zwischen den Ausgangsklemmen (Ai, A2) und der eigentlichen Last oder Netz ein Filter geschaltet werden kann. Als wesentliche Erweiterung sei angeführt, dass die erste Spule durch eine Spule mit Anzapfung oder durch zwei miteinander gekoppelte Spulen (Nt, N2) ersetzt werden kann und dann die Anzapfung oder der Verbindungspunkt der beiden Teil spulen mit der positiven Eingangsklemme (Ei) verbunden ist und der andere Anschluss der ersten Teilwicklung (N|) mit dem positiven Anschluss des dritten Schalters (S3) und der zweite Anschluss der zweiten Teilwicklung (N2) mit dem positiven Anschluss des ersten Schalters (S j) verbunden ist, oder die Anzapfung oder der Verbindungspunkt der beiden Teilspulen (Nt, N2) mit dem positiven Anschluss des dritten Schalters (S3) verbunden ist und der andere Anschluss der ersten Teilwicklung (Ni) mit der positiven Eingangsklemme (Ei) verbunden ist und der zweite Anschluss der zweiten Teilwicklung (N2) mit dem positiven Anschluss des ersten Schalters (Sj) verbunden ist. 4 P90/20110328/fh

Claims (7)

  1. Patentansprüche 1. Zweiquadranten steiler zur Ansteuerung einer permanent erregten Gleichstrommaschine oder eines induktiven Aktuators, aufgebaut aus einer ersten bidirektionalen Halbbrücke, bestehend aus einem ersten aktiven Schalter (Sj), in Serie geschaltet mit einem zweiten aktiven Schalter (S2) mit je einer antiparallelen Diode (Di, D2), weiters aufgebaut aus einer zweiten bidirektionalen Halbbrücke, bestehend aus einem dritten aktiven Schalter (S3), in Serie geschaltet mit einem vierten aktiven Schalter (S4) mit je einer antiparallelen Diode (D3, D4), weiters bestehend aus einer Spule (L|), einem Kondensator (C), einer ersten positiven (Ei) und einer zweiten negativen (E2) Eingangsklemme zum Anschluss einer unipolaren Spannungsquelle (Ui) und einer ersten (Ai) und zweiten (A2) Ausgangsklemme zum Anschluss der Maschine bzw. der East dadurch gekennzeichnet, dass an die positive Eingangsklemme (Ei) die erste Klemme der Spule (Li) und der positive Anschluss des dritten aktiven Schalters (S3), dessen negativer Anschluss einerseits an den positiven Anschluss des vierten aktiven Schalters (S4), dessen negativer Anschluss an die zweite Ausgangsklemme (A2) und den negativen Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S3) geschaltet ist, und andererseits an einen Anschluss des Kondensators (C) geschaltet ist, dessen zweiter Anschluss mit dem zweiten Anschluss der Spule (Li) verbunden ist und an den positiven Anschluss des ersten aktiven Schalters (Si) geschaltet ist, an den negativen Anschluss des ersten aktiven Schalters (S|) ist einerseits die negative Eingangsklemme (E2) und andererseits die erste Ausgangsklemme (Ai) geschaltet.
  2. 2. Zweiquadrantensteller zur Kopplung zweier Gleichspannungen (Uj, U2), aufgebaut aus einer ersten bidirektionalen Halbbrücke, bestehend aus einem ersten aktiven Schalter (Sj), in Serie geschaltet mit einem zweiten aktiven Schalter (S2) mit je einer antiparallelen Diode (Di, D2), weiters aufgebaut aus einer zweiten bidirektionalen Halbbrücke, bestehend aus einem dritten aktiven Schalter (S3), in Serie geschaltet mit einem vierten aktiven Schalter (S4) mit je einer antiparallelen Diode (D3, D4),weiters bestehend aus einer ersten Spule (L[), einer zweiten Spule (L2), einem Kondensator (C), einer ersten positiven (Ei) und einer zweiten negativen (E2) Eingangsklemme zum Anschluss einer unipolaren Spannungsquelle (Ui) und einer ersten (Ai) und zweiten (A2) Ausgangsklemme zum Anschluss der zweiten Spannungsquelle bzw. der Last 5 P90/20110328/fh dadurch gekennzeichnet, dass an die positive Eingangsklemme (Ei) die erste Klemme der ersten Spule (Li) und der positive Anschluss des dritten aktiven Schalters (S3), dessen negativer Anschluss einerseits an den positiven Anschluss des vierten aktiven Schalters (S4), dessen negativer Anschluss an den ersten Anschluss der zweiten Spule (L2) geschaltet ist, deren zweiter Anschluss mit der zweiten Ausgangsklemme (A2) und den negativen Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S3) geschaltet ist, und andererseits an einen Anschluss des Kondensators (C) geschaltet ist, dessen zweiter Anschluss mit dem zweiten Anschluss der Spule (Li) verbunden ist und an den positiven Anschluss des ersten aktiven Schalters (S|) geschaltet ist, an den negativen Anschluss des ersten aktiven Schalters (Si) ist einerseits die negative Eingangsklemme (E2) und andererseits die erste Ausgangsklemme (Aj) geschaltet.
  3. 3. Zweiquadrantensteller gemäß Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten (E[) und zweiten (E2) Eingangsklemme ein weiterer Kondensator geschaltet ist.
  4. 4. Zweiquadrantensteller gemäß Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Halbbrücken durch integrierte Module gebildet werden.
  5. 5. Zweiquadrantensteller gemäß mindestens einem der Ansprüche Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass jeweils der erste (Sj) und der vierte (S4) aktive Schalter bzw. der zweite (S2) und der dritte (S3) aktive Schalter mit Ausnahme einer kurzen Verriegelungszeit gleichzeitig leiten.
  6. 6. Zwei quadrantensteiler gemäß mindestens einem der Ansprüche Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Ausgangsklemmen (Ai, A2) und der eigentlichen Last oder Netz ein Filter geschaltet ist.
  7. 7. Zwei quadrantensteiler gemäß mindestens einem der Ansprüche Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spule durch eine Spule mit Anzapfung oder durch zwei miteinander gekoppelte Spulen (Ni, N2) ersetzt ist und die Anzapfung oder der Verbindungspunkt der beiden Teilspulen mit der positiven Eingangsklemme (Ei) verbunden ist und der andere Anschluss der ersten Teilwicklung (Ni) mit dem positiven Anschluss des dritten Schalters (S3) und der zweite Anschluss der zweiten Teilwicklung (N2) mit dem positiven Anschluss des ersten Schalters (Sj) verbunden ist, oder die Anzapfung oder der Verbindungspunkt der beiden Teilspulen (Ni, N2) mit dem positiven Anschluss des dritten Schalters (S3) verbunden ist und der andere 6 P90/20110328/fh Anschluss der ersten Teilwicklung (Ni) mit der positiven Eingangsklemme (Ei) verbunden ist und der zweite Anschluss der zweiten Teilwicklung (Nz) mit dem positiven Anschluss des ersten Schalters (SO verbunden ist. P90/20110328/fh 7
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20090034300A1 (en) * 2007-07-24 2009-02-05 Hiroo Ito Bidirectional DC/AC inverter
KR100997377B1 (ko) * 2010-01-05 2010-11-30 서울과학기술대학교 산학협력단 양방향 비절연 ｄｃ－ｄｃ 컨버터

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